عملکرد موتورهای القایی چند فاز

 

عملکرد موتورهای القایی چند فاز

 

 

با اتصال یک منبع ۲ یا ۳ فاز به سیم پیچ استاتور یک موتور القایی، میدان گردانی در فاصله هوایی به وجود می آید. این میدان گردان با سرعت ثابت شروع به گردش می کند و سرعت آن توسط فرکانس منبع تغذیه و تعداد قطب های موتور تعیین می شود.

 

موتور القایی سه فاز   در اینجا ذکر این نکته لازم است که موتورهای دوفاز اهمیت تجاری و اقتصادی ندارند.

 

شکل (۱) سیم پیچ های استاتور یک موتور دو فاز دو قطب را نشان می دهد. ممکن است چنین به نظر برسد که این شکل نمایش یک موتور چهار قطب است، در حالیکه هر دو کلاف در فازهای ۱ و ۲ یک قطب را تشکیل می دهند.

 

 

سیم پیچ های استاتور یک ماشین دو قطب

 

شکل (۱) سیم پیچ های استاتور یک ماشین دو قطب، ۲ فاز که به منبع تغذیه مناسب متصل شده باشند

یک نیروی مغناطیسی یا شار گردان به وجود می آورد که با فرکانس منبع تغذیه می چرخد

 

 

با این فرض که جریان فازهای ۱ و ۲ سینوسی با دامنه مساوی و ۹۰ درجه اختلاف باشد، به بررسی شار در لحظات مختلف می پردازیم.

در لحظۀ a به جریان فاز ۱ ماکزیمم و جریان فاز ۲ صفر است. جریان در هادی های بالایی عمود بر صفحه به سمت خارج و جریان در هادی های پایینی عمود بر صفحه و به سمت داخل است. با استفاده از قانون دست راست، شار بوجود آمده از سمت چپ به راست و به صورت افقی است شكل(۱a).

در لحظه b جریان فازهای ۲ و ۱ برابر است ولی هنوز جهت جریان در فاز ۱ عوض نشده است در این لحظه شار برایند با افق زاویه منهای چهل و پنج درجه می سازد، شکل (۱b). در لحظه و جریان فاز ۱ صفر و جریان فاز ۲ ماکزیمم است، شار برایند در این لحظه به صورت عمودی و از بالا به پایین است، شکل  (۱c).

 همان طور که مشاهده می شود زمان لازم برای رسیدن از وضعیت a به وضعیت b برابر زمان لازم برای رسیدن از وضعیت c بوده که برابر ۱/۸ پریود موج جریان است و شار فاصله هوایی هم در طی هر کدام از این زمان ها ۱/۸ دور کامل را طی می کند. با دنبال کردن روند فوق در می یابیم که در یک سیکل کامل جریان، شار فاصله هوایی یک دور کامل گردش می کند. بنابراین اگر فرکانس منبع تغذیه Hz۶۰ باشد شار در ۱/۶۰ ثانیه یک دور کامل را طی می کند با سرعت گردش شار rpm ۳۶۰۰ است. این سرعت را سرعت سنکرون برای فرکانس Hz۶۰ می گویند. 

برای ایجاد شار در فاصله هوایی، آمپر دور بیشتری نسبت به آهن یا فولاد لازم است. بنابراین استاتور نشان داده شده، به جریان خیلی بیشتری (نسبت به موقعی که یک روتور فولادی در داخل آن باشد) نیاز دارد. فاصله بین استاتور و روتور بسته به اندازه موتور ۰/۰۰۸ تا ۰/۱ اینچ تغییر میکند. انواع، روتورها با ساختمان های متفاوتی وجود دارد و این ساختمان روتور مورد استفاده است که نوع موتور و مشخصه مورد مورد نظر را تعیین میکند.

 

 

 

  • استاتور سه فاز

 در شکل (۲) سه دسته کلاف که در محیط استاتور توزیع شده اند نشان داده شده است. دو طرف هر کلاف با یکدیگر ۱۸۰ درجه و هر کلاف با کلاف دیگر ۱۲۰ درجه اختلاف مكان دارد. اگر و جریان های سه فاز استاتور دامنه های برابر و اختلاف فاز ۱۲۰ درجه داشته باشند و مانند قبل در لحظات a و b و c و d به بررسی شار برآیند و نیروی محرکه مغناطیسی بپردازیم، خواهیم دید که در اینجا هم شار با فرکانسی برابر فرکانس جریان ها شروع به گردش در فاصله هوایی می کند. اگر جریان نیم سیکل را طی کند شار برایند هم نیم دور می زند به عنوان مثال اگر فرکانس منبع تغذیه Hz ۶۰ باشد سرعت گردش شار ۳۶۰۰ دور در دقیقه خواهد بود.

اکنون می خواهیم یک استاتور چهارقطب سه فاز بوجود آوریم بنابراین به شش دسته کلاف احتیاج داریم. شکل (۲) را در نظر بگیرید فرض کنید دو طرف هر کلاف به جای ۱۸۰،۹۰درجه اختلاف مکان داشته و هر کلاف با کلاف دیگر به جای ۱۲۰ درجه، ۶۰ درجه اختلاف مکان داشته باشد به این ترتیب نیمی از میحط استاتور با سه دسته سیم پیچ پر می شود اگر نیمه دیگر محیط استاتور هم دقیقاً مانند نیمه اول تقسیم بندی شود یک استاتور چهار قطب سه فاز خواهیم داشت.

 

جریان و شار برایند یک استاتور دو قطب سه فاز در لحظات مختلف

 

شکل (۲) جریان و شار برایند یک استاتور دو قطب سه فاز در لحظات مختلف

 

 

اکنون اگر جریان ۳۶۰ درجه را طی کند شار فاصله هوایی یک قطب شمال و یک قطب جنوب را طی می کند. بنابراین در یک سیکل کامل جریان آن فقط نیم دور میزند و سرعت گردش شار ۱۸۰۰ دور در دقیقه می باشد. تنها در ماشین دو قطب است که شار از قطر روتور عبور میکند مسیرهای شار برای یک ماشین چهارقطبی در شکل (۳) نشان داده شده است.

 

 

مسیرهای شار در روتور و استاتور یک موتور چهار قطب در یک لحظه معین از زمان

 

شکل (۳) مسیرهای شار در روتور و استاتور یک موتور چهار قطب در یک لحظه معین از زمان 

 

 

 

  • اتصال ستاره سیم پیچ های سه فاز استاتور

اگر یک استاتور ۳۶ شیار داشته باشد و طراح بخواهد یک استاتور چهارقطب سه فاز بوجود آورد در ابتدا باید تعداد شیارهای مربوط به هر قطب را به دست آورد. در اینجا به هر قطب ۹ شیار تعلق میگیرد، شکل (۴)، سپس باید تعداد شیارهای هر قطب را به تعداد فازها تقسیم کنند، در اینجا به هر فاز زیر یک قطب ۳ شیار تعلق می گیرد اگر ماشین ۶ قطب و سه فاز بود به هر قطب شش شیار و به هر فاز زیر یک قطب دو شیار تعلق می گرفت.

 

 

مسیر شار همواره باید بسته باشد

شکل (۴) مسیر شار همواره باید بسته باشد، در اینجا جهت و اندازه شار توسط بردارهایی نمایش داده شده است.

سیم پیچ های استاتور به یک منبع تغذیه ۶۰ هرتز متصل بوده که سبب می شود شار با سرعت ۹۰۰ دور در دقیقه گردش کند

 

 

 

شکل (۵) سیم پیچ های واقعی و چگونگی اتصال آن ها را نشان داده است با یک نظر اجمالی می توان دریافت که این شکل دید بهتری به یک طراح یا تعمیرکار قرار می دهد.

 

 

سیم پیچ های استاتور

 

شکل (۵) اگر استاتور از یک نقطه بریده و باز شود و به صورت گسترده و مسطح درآید، سیم پیچ های استاتور بهتر قابل نمایش خواهد بود.

 

 

 

  • روتور یک موتور سنکرون ساده

حال که ما یک میدان گردان در استاتور داریم این سوال مطرح می شود که روتور چگونه باید باشد تا موتور به درستی کار کند. شاید ساده ترین نوع روتور که درک چگونگی عملکرد آن هم ساده باشد قطعه ای از آهن یا فولاد است که بر روی محور نصب شده و دارای قطب های برجسته ای به تعداد قطب های استاتور باشد، شکل (۶). اگر سرعت چنین روتوری را تا نزدیک سرعت سنکرون یک میدان چهار قطب برسانیم و سپس آن را رها کنیم، روتور با سرعت سنکرون شروع به چرخش میکند. دلیل آن این است که شار همواره مسیرهایی را انتخاب می کنند که کوچکترین رلاكتانس مغناطیسی را داشته باشد و کوچکترین رلاكتانس برای مسیر شار از درون قطب های روتور است.

بنابراین روتور با میدان گردان شروع به چرخش میکند تا همواره کوچکترین رلاكتانس برای مسیر شار وجود داشته باشد. اگر منبع تغذیه دارای فرکانس ۶۰ هرتز باشد سرعت این روتور دقیقاً برابر ۱۸۰۰ دور در دقیقه است. چنین موتوری که سرعت چرخش روتور آن دقیقا با سرعت سنکرون برابر است را موتور سنکرون می نامند (لغت سنکرون یک کلمه یونانی است که معنی همزمان می دهد).

 

رتور چهار قطب

 

شکل (۶) این رتور چهار قطب از فولاد ورقه ورقه شده یا حتی از آهن ریخته شده ساخته شده است

که بر روی یک محور نصب شده و درون یک استاتور چهار قطب با سرعت سنکرون همراه شار می چرخد این اساس موتورهای سنکرون است.

 

 

 

 

  • روتورهای قفسه سنجابی

یک ورقه از یک روتور قفسه سنجابی در شکل (۷)  نشان داده شده است، معمولاً ورقه های روتور همان قسمت مرکزی ورق هایی است که استاتور از آن ها ساخته شده است و بنابراین از فولاد مخصوصی است که مقدار سیلیکون و مرغوبیت آن بستگی به کیفیت و درجه ورق به کار رفته در ساخت استاتور دارد.

 

ورقۀ رتور قفسه سنجابی

 

شکل (۷) ورقۀ رتور قفسه سنجابی

 

 

بنا به طراحی مورد نظر تعداد کافی از این ورقه ها بر روی محوری نصب شده و روتوری با طول مورد نظر ساخته می شود. میله های مسی که در هر یک از شیارهای ورقه شكل (۷) قرار میگیرد باید دارای سطح مقطع مستطیلی باشد. اگر شیارهای ورقه های روتور دایره ای باشد میله های مسی با سطح مقطع دایره ای به کار می رود انتهای تمام میله های مسی درون شیارها به یک حلقه مسی جوش خورده یا لحیم می شود، بنابراین یک مدار الکتریکی اتصال کوتاه مانند شکل (۸) خواهیم داشت.

 

 

سیم پیچی رتور قفسه سنجابی

 

شکل (۸) سیم پیچی رتور قفسه سنجابی

 

 

هنگامی که دسته ای از این ورقه ها بر روی شافت نصب شد، میله های مسی درون شیارها قرار میگیرد و دو حلقه مسی به انتهای این میله ها لحیم می شود و روتور درون استاتور قرار می گیرد. با اتصال اتساتور به منبع تغذیه، بلافاصله شار بوجود آمده، از فاصله هوایی و دندانه های روتور عبور نموده و مسیر خود را از درون هسته روتور کامل می کند

شار با سرعت سنکرون شروع به گردش کرده و میله های مسی درون روتور را قطع می کند در نتیجه در هر کدام از میله های مسی ولتاژ القایی بوجود می آید. اندازه این ولتاژ در هر کدام از این میله ها و در هر لحظه به چگالی شار در آن نقطه بستگی دارد (فرض شده که چگالی شار در فاصله هوایی به صورت سینوسی تغییر می کند).

بنابراین دامنه و جهت ولتاژها در میله های مسی مانند شکل (۹) است. با به وجود آمدن ولتاژ، درون میله جریانی در یک جهت جاری شده و توسط دو حلقه مسی از دیگر میله ها در جهت مخالف باز می گردد. بدین ترتیب جریان می تواند یک مسیر بسته را از درون میله ها و حلقه های مسی طی کند. بنابراین برای هر قطب یک مدار بسته الکتریکی بوجود می آید اگر استاتور چهار قطب باشد، درون روتور چهار مدار بسته برای جریان به وجود می آید که جریان درون آن ها گردش کرده و یک میدان چهار قطب هم توسط روتور به وجود می آید (اگر همین روتور درون یک میدان شش یا هشت قطب قرار گیرد تعداد مسیرهای بسته به طور خودکار با تعداد قطب ها برابر می شود).

 

طراحی هادی های یک رتور قفسه سنجابی درون استاتور

 

شکل (۹) طراحی هادی های یک رتور قفسه سنجابی که درون یک استاتور چهار قطب قرار می گیرد.جهت حقیقی ولتاژهای القا شده توسط بردارها نشان داده شده است.

طول بردارها نشان دهندۀ اندازۀ ولتاژ القا شده است. به دلیل چهار قطبی بودن استاتور، چهار مسیر جریان وجود دارد.

 

 

از آن جا که میله های مسی در ورقه های فولادی قرار دارند، حالت سلفی داشته و راکتانس آنها بزرگ است بنابراین جریان نسبت به ولتاژ پس فاز است. به دلیل اینکه جریانی که درون حلقه های مسی جاری است از میله های درون شیارها می آید و جریان این میله ها با هم متفاوت است. جریان درون حلقه مسی در طول محیط آن یکنواخت نیست، شکل (۱۰). هنگامی که روتور ساکن است شار با سرعت سنکرون گردش می کند. بنابراین فرکانس ولتاژ و جریان القایی درون میله های روتور برابر فرکانس منبع تغذیه است.

 

 

جریان میله های زیر یک قطب با یکدیگر متفاوت است

 

شکل (۱۰) جریان میله های زیر یک قطب با یکدیگر متفاوت است

و توزیع جریان در تمام نقاط محیطی حلقه های مسی یکنواخت نیست.

 

 

 

مقالات مرتبط

نظرات